Pathfinder-Technologiedemonstrator

Das Pathfinder Technology Demonstrator ( PTD )-Projekt der NASA ist eine Reihe von Technologiedemonstrationen an Bord von Nanosatelliten , sogenannten CubeSats , die die Leistung dieser vielseitigen Raumfahrzeuge deutlich verbessern. Jede der fünf geplanten PTD-Missionen besteht aus einem 6U-CubeSat mit ausfahrbaren Solarzellen. ^{[ 3 ]}

Die Flugqualifizierung und Demonstration dieser Technologien an Bord der PTD-Missionen dürften künftigen Regierungs- und kommerziellen Missionen zugutekommen. Dazu gehören Antriebssysteme und Subsysteme, die das Raumfahrzeug stabilisieren und hochpräzise ausrichten, um ein Laserkommunikationssystem mit Hochgeschwindigkeits-Breitbandübertragung zu nutzen.

Die erste Mission, PTD-1, sollte im Dezember 2020 mit einer Falcon-9- Rakete von Cape Canaveral aus starten. Sie war Teil der Mitflugmission ELaNa 35 ^{[ 4 ] , die am 24. Januar 2021 startete und das wasserbasierte Treibstoffsystem HYDROS-C demonstrierte. PTD-3 startete am 25. Mai 2022 mit dem SpaceX-Transporter-5 und demonstrierte das Infrarot-Kommunikationssystem TBIRD [ 5 ]} .

Das Pathfinder Technology Demonstrator (PTD) Projekt wird vom Ames Research Center der NASA in Kalifornien in Zusammenarbeit mit dem Glenn Research Center der NASA in Ohio geleitet . Das PTD-Projekt wird vom Small Spacecraft Technology Program (SSTP) der NASA innerhalb des Space Technology Mission Directorate verwaltet und finanziert. Das übergeordnete Ziel ist die Erprobung der physikalischen Grundlagen wichtiger neuer Technologien, um Kleinsatelliten zu verbessern und ihnen den Einsatz in neuen Umgebungen und zu neuen Zielen zu ermöglichen. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Diese Technologien werden im erdnahen Orbit getestet , um sie potenziell zukünftig in Kleinsatelliten im Erdorbit oder im Weltraum einzusetzen . [ ^{7 ] Die} im Rahmen der PTD-Flüge demonstrierten Technologien könnten auf größere Raumfahrzeuge übertragbar und skalierbar sein. ^{[ 7 ]}

Das Projekt plant fünf Orbitalmissionen mit 6U-CubeSats (PTD-1 bis PTD-5) im Abstand von sechs Monaten. Jede Mission dient der Erprobung unterschiedlicher Technologien. ^{[ 8 ]} Nach dem Aussetzen in der erdnahen Umlaufbahn ist eine Lebensdauer von 90 Tagen vorgesehen . ^{[ 6 ]} Jedes Raumfahrzeug wird verschiedene Testnutzlasten mitführen, darunter Antriebssysteme für die Bahnstabilisierung, Manövrierfähigkeit und interplanetare Flüge, Laserkommunikation mit hoher Bandbreite sowie hochpräzise Lageregelungssysteme zur Stabilisierung des Raumfahrzeugs und zur präzisen Ausrichtung der Instrumente. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Beispiele für neuartige Systeme, die getestet werden sollen, sind ein Elektrospray-Triebwerk , ein wasserbasierter Antrieb und ein sehr präzises Lageregelungssystem . ^{[ 6 ]}

• Der BET-100 μN ist ein von Busek hergestellter Kolloidantrieb , der 2016 erfolgreich an der ESA-Mission LISA Pathfinder teilnahm. ^{[ 9 ]} Jeder Antrieb benötigt weniger als 6 Watt Leistung.

• Das Lageregelungs- und Steuerungssystem (ADCS) verwendet das Hyper-XACT ADCS von Blue Canyon. Das Paket umfasst einen Sterntracker , 3-4 Reaktionsräder , drei Drehmomentstangen , ein Magnetometer , eine Inertialmesseinheit und bis zu vier Sonnensensoren .

• HYDROS ist eine hybride chemisch-elektrische Technologie zur Wasserantriebstechnik. Sie nutzt eine Elektrolysezelle , um Wassertreibstoff in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, die unter Druck in separaten Tanks gespeichert und anschließend in einer Triebwerksdüse verbrannt werden. Dieses Antriebssystem wird von Tethers Unlimited, Inc. entwickelt.

• Das Triebwerk MPS-130 von Aerojet Rocketdyne verbrennt einen neuartigen ionischen Flüssigtreibstoff namens Hydroxylammoniumnitrat (NH₃OHNO₃ ₎ . Es handelt sich um ein Treibstoff-Oxidationsmittel-Gemisch, auch bekannt als AF-M315E, das etwa 50 % effizienter als herkömmliches Hydrazin und ungiftig ist . _[ 6 ] ^{Aerojet Rocketdyne testete} dieses Triebwerk und den Treibstoff im Rahmen der Mission „Green Propellant Infusion Mission“ ^{[ 10 ]} , die am 25. Juni 2019 mit einer SpaceX Falcon Heavy- Rakete im Rahmen des Testprogramms „Space Test Program 2“ startete .

• Das PTD-Projekt wird außerdem das kommerzielle Globalstar- Kommunikationsnetzwerk für kostengünstige Weltraumkommunikation zur Übermittlung von Befehlen an Raumfahrzeuge in der erdnahen Umlaufbahn evaluieren . Jedes der fünf geplanten Raumfahrzeuge wird mit einem Globalstar GSP-1720 Duplex-Modem ausgestattet sein. ^{[ 7 ] [ 11 ]}

Am 12. Februar 2016 wurde die Ausschreibung NNA16574335R für die Lieferung eines raumflugtauglichen 6U-CubeSat- Satelliten veröffentlicht. Dieser soll von der NASA im Rahmen ihres Pathfinder Technology Demonstrator (PTD)-Projekts betrieben werden und Technologiesubsysteme ( im Folgenden: Nutzlast) transportieren. Geplant ist eine Flugdemonstration mit einem Antriebssystem mit geringem Schub, mit der Option auf vier weitere Technologiedemonstrationen. Diese Folgemissionen können Nutzlasten wie Antriebssysteme mit höherem Schub oder optische Kommunikationssysteme bzw. hochpräzise Lageregelungs- und -steuerungssysteme umfassen. Die Frist für die Einreichung von Angeboten endete am 4. April 2016. ^{[ 6 ]}

Das Raumfahrzeug PTD-1 befindet sich derzeit in Entwicklung und Fertigung. Es wird ein Antriebssystem mit einem wasserbasierten Treibstoff demonstrieren, der durch Wasserelektrolyse gewonnen wird . Im Orbit trennt das System das Bordwasser durch Anlegen eines elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Start von PTD-1 ist für Dezember 2020 im Rahmen der Mitflugmission ELaNa 35 an Bord einer Falcon-9 -Rakete geplant. ^{[ 4 ]}

PTD-1 startete am 24. Januar 2021 im Rahmen der SpaceX-Mitflugmission Transporter-1 .

HYDROS ist eine hybride chemisch-elektrische Technologie zur Wasserantriebstechnik. Sie nutzt eine Elektrolysezelle , um Wassertreibstoff in gasförmigen Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, die unter Druck in separaten Tanks gespeichert werden. Das System verbrennt das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch anschließend in einer einfachen Triebwerksdüse und erzeugt so einen Schub von bis zu 1 Newton und einen spezifischen Impuls von 258 Sekunden. Dieses Antriebssystem wird von Tethers Unlimited, Inc. entwickelt.

In reinem Wasser findet an der negativ geladenen Kathode eine Reduktionsreaktion statt, bei der Elektronen (e⁻ ⁾ von der Kathode an Wasserstoffkationen abgegeben werden und Wasserstoffgas entsteht. Die mit Säure ausgeglichene Halbreaktion lautet:

Reduktion an der Kathode: 2 H ⁺ ( wässrige Lösung ) + 2e ⁻ → H ₂ ( Gas )

An der positiv geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Sauerstoffgas erzeugt und Elektronen an die Anode abgegeben werden, um den Stromkreis zu schließen:

Oxidation an der Anode: 2 H₂O ₍ flüssig ) → O₂ ₍ gasförmig ) + 4 H⁺ ⁽ wässrige Lösung ) + 4 ^e⁻

Gesamtreaktion: 2 H₂O ₍ flüssig ) → 2 H₂ ₍ gasförmig ) + _O₂ ( gasförmig )

Das Antriebssystem nutzt den von den Solarzellen erzeugten Strom, um die Miniatur-Wasserelektrolyseanlage zu betreiben. Die Demonstration testet die Antriebsleistung durch programmierte Änderungen der Geschwindigkeit und Flughöhe des Raumfahrzeugs.

PTD-2 ist eine 6U-CubeSat-Technologiedemonstrationsmission zur Demonstration eines verbesserten Lageregelungssystems, das im Rahmen des Tipping Point Programms entwickelt wurde . Das HyperXACT- Design bietet eine fünffache Verbesserung der Zuverlässigkeit und Ausrichtung gegenüber vielen modernen Systemen bei gleichbleibender 1/2-U-Bauform. ^{[ 12 ]}

PTD-2 war auch die vorgesehene Plattform für eine NASA-Demonstration des GLOBALSTAR-Satellitenkommunikationsmodems.

Das Projekt PTD-2 wurde nach einem Zwischenfall während der Integration und des Tests des Raumfahrzeugs abgebrochen.

Es wurde schließlich durch PTD-2R, auch bekannt als PTD-R, ersetzt. PTD-R wurde am 16.08.2024 mit SpaceX Transporter-11 gestartet und transportierte die vom Lawrence Livermore National Laboratory entwickelte Nutzlast „Deep Purple“. Deep Purple ist eine Technologiedemonstration eines koaxial ausgerichteten Paares von UV/SWIR-Teleskopen.

NASA PTD-Website https://www.nasa.gov/smallspacecraft/pathfinder-technology-demonstrator/

PTD-3, ein 6U-Cubesat, der am 25. Mai 2022 mit der SpaceX-Mission Transporter-5 gestartet wurde , beinhaltet den 3U- TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) -Laserkommunikationstest . ^{[ 13 ] [ 14 ]} TBIRD sendet Daten mit 200 Gbit/s aus dem erdnahen Orbit (LEO) zu Bodenstationen. ^{[ 15 ]} Bis Dezember 2022 demonstrierte TBIRD Datenübertragungen mit 100 Gbit/s aus einer 480 km hohen Umlaufbahn zur Erde und plant Tests mit 200–1000 Gbit/s. ^{[ 16 ]} Am 28. April 2023 wurde ein Durchsatz von 200 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) erreicht. ^{[ 17 ]}

Ein 6U-Cubesat demonstriert das Lightweight Integrated Solar Array and anTenna ( LISA-T ), ein ausklappbares Solarmodul mit sehr hoher Leistung, geringem Volumen und integrierter Antenne. LISA-T wird vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, entwickelt. Im Vergleich zu aktuell verfügbaren Solarmodultechnologien bietet LISA-T eine geringere Masse und ein kleineres Speichervolumen sowie eine höhere Leistung pro Masseneinheit. Stand Dezember 2023 stand noch kein Starttermin fest. Der Nanosatellit wurde zusammen mit PTD-R im Rahmen der SpaceX-Mission Transporter-11 von der Vandenberg Space Force Base aus gestartet . ^{[ 18 ] [ 3 ] [ 19 ]} Der Start von Transporter-11 ist für August 2024 geplant.

Ein 6U-Cubesat demonstriert erstmals die simultane optische Erfassung von ultraviolettem und kurzwelligem Infrarotlicht aus dem Weltraum. Dies geschieht mithilfe zweier monolithischer Teleskope mit 85 mm Apertur, die nebeneinander montiert sind. Möglich wird dies durch ein neues, kompaktes und speziell angefertigtes Elektronikmodul sowie ein neuartiges, leichtes optisches Gehäuse und einen Radiator aus Kohlenstoffverbundwerkstoff. Der Start erfolgte am 16. August 2024 im Rahmen der SpaceX-Mission Transporter-11 von der Vandenberg Space Force Base aus . ^{[ 20 ]}

• Cislunar Explorers , ein weiteres Raumschiff, das Wasserelektrolyse zur Treibstofferzeugung nutzt
• World Is Not Enough , ein Raumschiffantriebssystem, das vor Ort gewonnenes Wasser nutzt

• PTD-1 NASA-Video auf YouTube